納微尺度下傳遞現(xiàn)象的計算機模擬研究.pdf

1、微型化工過程是屬于化學和化工交叉的領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛，例如它能夠精確地控制受限在納微結(jié)構(gòu)通道中的物理和化學過程。納微結(jié)構(gòu)中流體和界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是開發(fā)微型化工設(shè)備的基礎(chǔ)，目前實驗手段對該尺度下的液-液界面性質(zhì)的表征尚不完善，因此用分子模擬的方法來研究界面性質(zhì)和界面?zhèn)鬟f過程意義重大。
　　 本論文采用分子動力學方法和格子Boltzmann方法對納微尺度下的傳遞現(xiàn)象進行計算機模擬研究，主要對納微尺度下的邊界條件、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過

2、程進行了系統(tǒng)的計算機模擬研究。主要內(nèi)容如下:
　　 1.納米尺度下液-液界面的邊界條件、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程的分子動力學模擬研究:
　　 (1)研究了納米尺度下兩互不相溶流體液-液界面的邊界條件，包括對界面處存在表面活性劑的情況進行了考察。隨著界面處表面活性劑濃度的不同觀察到三種不同的邊界條件:滑移邊界條件、無滑移邊界條件和粘滯邊界條件?；?、無滑移和粘滯這三種邊界條件對應(yīng)的滑移長度分別為正值、零和負值。此外還研究了表

3、面活性劑對液-液界面邊界條件的影響。
　　 (2)研究了納米尺度下兩互不相溶液體的液-液界面的傳熱過程，并考察了界面處存在表面活性劑以及界面流動的影響。體系中熱通量的變化，因其不會改變界面的結(jié)構(gòu)，而不影響界面的熱阻。當界面處存在表面活性劑時，表面活性劑分子會改變界面的結(jié)構(gòu)，從而影響界面處的傳熱過程。隨著界面處表面活性劑濃度的增加界面處的熱阻先快速地減小，然后基本保持不變。體系在外力作用下流動時，互不相溶兩液體的液-液界面處存在邊

4、界滑移，界面處的熱阻會明顯變大，隨著流速的增加界面處熱阻會先增大后減小。
　　 (3)研究了納米尺度下溶質(zhì)穿過兩互不相溶液-液界面的質(zhì)量傳遞過程，并考察了界面處存在表面活性劑時對傳質(zhì)過程的影響。溶液中溶質(zhì)濃度隨時間演化過程和界面處溶質(zhì)分子的平均力勢(Potential of Mean Force)都表明液-液界面處存在傳質(zhì)阻力。溶質(zhì)在溶劑中溶解度不同時，質(zhì)量傳遞過程的傳質(zhì)速度會受到影響。而界面處存在表面活性劑時，溶質(zhì)傳質(zhì)速率會隨

5、著表面活性劑濃度的增加而先變大后變小，這與宏觀萃取實驗的結(jié)果，即溶質(zhì)傳質(zhì)速率會隨著表面活性劑濃度的增加而先變小后略有增加，明顯不同。這是因為宏觀液-液萃取實驗中，界面處的表面活性劑會降低界面張力梯度和湍流運動從而減小傳質(zhì)速率。
　　 2.采用分子動力學方法研究了在外壓力作用下水分子通過碳納米管的過程。管口處各組分的密度分布表明水與固體墻之間存在一個排空層，說明管口處存在一定的阻力，阻礙水進入碳納米管內(nèi)。隨著外壓力的增加，水分子會

6、經(jīng)歷四個狀態(tài):不進入碳管、半填充碳管、充滿碳管和流過碳管。通過比較單管體系和雙管并列體系的結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙管并列的體系水分子更容易形成流動狀態(tài)，并且對原子間LJ勢能不同的體系的研究表明截斷半徑長的體系更容易克服出口處的氫鍵作用而流出管口。這些結(jié)果表明不同管內(nèi)水分子的狀態(tài)是相互影響或者說它們的流動是協(xié)同的。同時本論文還對水分子在管內(nèi)的轉(zhuǎn)動行為進行了研究。
　　 3.使用格子Boltzmann方法研究了微流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中濃度梯度的生成過程。